魏昌坤，苗偉，譚雨點(diǎn)，江慶，楊洋

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，安徽 合肥230036）

隨著生活水平的提高，人們對(duì)于乘用車的需求，除了安全性和動(dòng)力性之外，還有駕駛舒適性［1］。踏板作為駕駛過程中使用頻繁的操縱機(jī)構(gòu)之一，其人機(jī)工程設(shè)計(jì)水平直接影響駕駛舒適性，良好的人機(jī)工程設(shè)計(jì)特性能夠降低駕駛員下肢疲勞程度，增加駕車安全性。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)踏板設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究。Apostolico A 等［2］測(cè)量駕駛員駕駛姿態(tài)，建立踏板和座椅的最佳布局范圍；Shuilong He等［3］從振動(dòng)傳遞路徑的相關(guān)研究出發(fā)，研究了降低振動(dòng)響應(yīng)的可能性；文獻(xiàn)［4-6］構(gòu)建了汽車踏板人機(jī)設(shè)計(jì)主觀試驗(yàn)臺(tái)架，通過臺(tái)架模擬試驗(yàn)開展踏板布局設(shè)計(jì)，但對(duì)于研究駕駛員實(shí)際駕駛過程中的踏板操作舒適性具有一定缺陷；趙金璐等［7］針對(duì)膜片彈簧的分離與接合特性，進(jìn)行剎車踏板操作舒適性研究，并借助Ansys/Workbench 軟件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真與計(jì)算。張淼等［8］基于駕駛員膝關(guān)節(jié)應(yīng)力分布的操縱舒適性測(cè)評(píng)方法，優(yōu)化了汽車踏板操縱舒適性。文獻(xiàn)［9-11］基于AnyBody 生物力學(xué)軟件構(gòu)建下肢踏板操作的人機(jī)交互模型，研究了踏板設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)人體肌肉激活程度的影響，建立了駕駛員踏板操縱舒適性與工程設(shè)計(jì)的關(guān)系。目前關(guān)于汽車踏板的研究主要集中于踏板布局、離合器踏板設(shè)計(jì)、踏板操縱評(píng)價(jià)，并取得矚目的研究成果。油門踏板操縱涉及駕駛員操縱舒適性，同時(shí)也與車輛行駛速度有緊密聯(lián)系，文中搭建乘用車油門踏板操縱特性實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)，選擇踏板人機(jī)匹配較好的車型開展車輛行駛過程中的踏板操縱特性研究，總結(jié)油門踏板行程-踏板反饋力、踏板行程-穩(wěn)定車速關(guān)系模型，為新車型油門踏板的人機(jī)匹配設(shè)計(jì)提供參考。

1 踏板操縱動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)

1.1 踏板測(cè)試指標(biāo)

駕駛員-踏板人機(jī)匹配設(shè)計(jì)參數(shù)主要涉及不同穩(wěn)定車速對(duì)應(yīng)的踏板行程和踏板反饋力，如圖1所示。搭建的踏板測(cè)試系統(tǒng)主要測(cè)試指標(biāo)有車輛穩(wěn)定行駛速度、不同穩(wěn)定車速工況踏板位置（踏板行程）及踏板反饋力。

圖1 測(cè)試指標(biāo)示意圖

1.2 踏板測(cè)試方案

圖2 測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

表1 主要傳感器設(shè)備性能指標(biāo)

綜合考慮測(cè)試系統(tǒng)的功能和可靠性要求，構(gòu)建乘用車踏板測(cè)試系統(tǒng)，技術(shù)框架如圖2 所示，主要傳感器設(shè)備及技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。測(cè)試系統(tǒng)由傳感器組、數(shù)據(jù)采集器和便攜式計(jì)算機(jī)等組成，其中踏板反饋力傳感器和位置傳感器提供油門踏板行程和反饋力信息，陀螺儀提供油門踏板操縱過程車輛加速度信息，GPS 提供車輛速度及其位置信息。數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)上述信息的實(shí)時(shí)同步采集，并通過網(wǎng)線上傳至便攜式計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、顯示和報(bào)告生成。

油門踏板力和位移傳感器的安裝位置如圖3所示，油門踏板反饋力傳感器安裝在油門踏板上表面。拉線式踏板位移傳感器測(cè)試油門踏板沿著拉線方向位移，對(duì)于不同類型的車型，其駕駛艙結(jié)構(gòu)及安裝位置不同，因此需要對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，將拉線位移轉(zhuǎn)換成踏板行程，保證踏板運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)具有可比性。陀螺儀安裝在車輛中控臺(tái)的平整處，GPS安裝在車頂，便于接收位置信號(hào)。

采用Creaform 掃描儀掃描踏板操縱過程中3種旋轉(zhuǎn)角度狀態(tài)（初始行程、中間行程和最大行程）的點(diǎn)云模型，在Imageware 軟件中進(jìn)行點(diǎn)云模型的測(cè)量，獲取踏板位置信息和傳感器安裝位置信息如圖4所示，基于三點(diǎn)構(gòu)造圓的理論確定踏板的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，建立拉線傳感器位移信號(hào)與踏板行程之間的關(guān)系，從而得到踏板行程。

圖3 油門踏板傳感器布置位置

圖4 基于點(diǎn)云模型抽象踏板幾何布局

1.3 測(cè)試車輛及試驗(yàn)道路選擇

從大眾、本田、現(xiàn)代、日產(chǎn)、福特、標(biāo)致、雪佛蘭、長(zhǎng)城、江淮、寶駿品牌的SUV車型中選擇油門踏板操縱主觀舒適性較好的車型作為踏板人機(jī)匹配特性測(cè)試車輛。10輛測(cè)試車型涉及合資品牌和國(guó)產(chǎn)品牌，車況良好，車齡均小于2 年，輪胎氣壓達(dá)到車輛規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求。

城市路況測(cè)試地點(diǎn)在某省會(huì)城市，測(cè)試道路按照以下原則進(jìn)行選?。?）試驗(yàn)道路包含快速路、主干道、次干道和支路，其中支路占總路程的較小部分，主干道與次干道占路程的大部分，快速路所占比例大于支路所占比例但小于主干道、次干道所占比例；2）能夠體現(xiàn)上下班的車輛行駛特點(diǎn)，測(cè)試時(shí)間選擇8～9 點(diǎn)、10～11 點(diǎn)、18～19 點(diǎn)，分別代表?yè)矶侣窙r和不擁堵路況；3）試驗(yàn)道路首尾連貫，以提高試驗(yàn)效率。

采用陀螺儀測(cè)試車輛的加速度信息，采用GPS確定車輛的位置和車速信息。

1.4 測(cè)試流程

根據(jù)《在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用人體尺寸百分位數(shù)的通則》，選擇3 名身高為172～175 cm、體重為65～75 kg（滿足90%中國(guó)人體尺寸）且具有3 年以上工作經(jīng)驗(yàn)的試車員，試車員身體健康、休息充分，試驗(yàn)開展前將座椅調(diào)整至最舒適狀態(tài)。

按照規(guī)定路線開展試驗(yàn)測(cè)試，車輛行駛過程中，對(duì)于非擁堵路段車輛最高速度不超過道路限速值，對(duì)于擁堵路段車輛行駛主要保持跟車狀態(tài)?；谝汛罱ǖ奶ぐ鍦y(cè)試系統(tǒng)，在加速行駛過程得到踏板行程與車輛加速度變化關(guān)系數(shù)據(jù)、踏板行程與踏板反饋力之間的關(guān)系數(shù)據(jù)，在平穩(wěn)行駛階段測(cè)試得到穩(wěn)定車速對(duì)應(yīng)的踏板行程和踏板反饋力數(shù)據(jù)。

2 踏板行程與車輛速度關(guān)系模型

駕駛員長(zhǎng)時(shí)間操縱踏板，合理的踏板行程與車輛速度匹配關(guān)系直接影響駕駛員的舒適性。車輛行駛過程中，駕駛員踝關(guān)節(jié)維持固定屈伸角度，踏板保持固定行程，實(shí)現(xiàn)車輛穩(wěn)定行駛。踏板操作特性測(cè)試系統(tǒng)獲取穩(wěn)定車速狀態(tài)下踏板行程（均值）如圖5 所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著穩(wěn)定車速v 增加，踏板行程x呈現(xiàn)指數(shù)增加的變化規(guī)律。

圖5 穩(wěn)定車速與踏板關(guān)系曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合車輛穩(wěn)定車速與踏板行程關(guān)系模型：

式中：x0為踏板的初始行程位置，用于踏板布局設(shè)計(jì)；A 為踏板行程與車輛速度的關(guān)系系數(shù)，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)辨識(shí)確定x0為5.96，A為0.52。對(duì)式（1）進(jìn)行求導(dǎo)，得到油門踏板行程隨車輛穩(wěn)定速度增加的變化率函數(shù)：

式中：A 為車輛加速性能，與車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量調(diào)校有關(guān)。

3 踏板行程與踏板反饋力關(guān)系模型

如圖6 所示，駕駛員足部長(zhǎng)時(shí)間操作踏板，踏板反饋力、足部重量、地板對(duì)足部支撐力以及踝關(guān)節(jié)力矩保持穩(wěn)定平衡狀態(tài)。踏板反饋力能夠降低駕駛員下肢肌肉受力，提高駕駛員操作舒適性。因此構(gòu)建踏板行程與踏板反饋力關(guān)系模型，為踏板反饋力設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

圖6 駕駛員操縱踏板示意圖

駕駛過程中，駕駛員操縱踏板反饋力測(cè)試結(jié)果如圖7所示，踏板反饋力變化規(guī)律主要為快速增加（階段1）和緩慢增加（階段2），其中階段1踏板反饋力隨行程增加幅度顯著大于階段2。階段1踏板行程小于10 mm，從踏板行程與車輛穩(wěn)定速度測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，此階段車輛穩(wěn)定速度小于40 km·h-1，行駛場(chǎng)景主要為市區(qū)擁堵狀態(tài)，駕駛員需要頻繁操縱踏板，較靈敏的反饋力變化能夠提高駕駛安全。階段2踏板反饋力隨著踏板行程緩慢增加，該階段近似線性變化規(guī)律，其穩(wěn)定車速大于40 km·h-1，車輛處于行駛順暢狀態(tài)，駕駛員需要維持穩(wěn)定的踏板行程，確保車輛穩(wěn)定行駛。

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，所選擇車輛的踏板反饋力、踏板行程和穩(wěn)定車速滿足乘用車踏板操縱基本要求。根據(jù)階段1 踏板反饋力快速增加、階段2踏板反饋近似線性穩(wěn)定增加的試驗(yàn)結(jié)果，選擇對(duì)數(shù)函數(shù)擬合踏板行程與踏板反饋力關(guān)系模型。

考慮到踏板反饋力隨行程的變化特性，基于試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)構(gòu)建踏板反饋力和行程之間的關(guān)系：

式中：F0為踏板預(yù)緊力；λ 為踏板反饋力隨踏板行程變化率，在踏板人機(jī)設(shè)計(jì)過程中表征踏板的“輕”“重”主觀感受；c為修正系數(shù)。根據(jù)車輛測(cè)試數(shù)據(jù)辨識(shí)出F0為13.45，λ為7.52，c為0.14。對(duì)式（3）求導(dǎo)，得到踏板反饋力變化率函數(shù)如式（4）所示，隨著踏板行程的增加，踏板反饋力增加的幅度減小。

圖7 踏板反饋力與踏板行程關(guān)系

通過測(cè)試市場(chǎng)暢銷且踏板操縱舒適性較好的車型，確定踏板反饋力和踏板行程的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立踏板人工工程設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)，設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整F0、c和λ，開展踏板人機(jī)匹配設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)。

4 新車型油門踏板開發(fā)應(yīng)用案例

將文中提出的踏板人機(jī)匹配模型應(yīng)用到新車型油門踏板設(shè)計(jì)，根據(jù)踏板操作舒適性設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)踏板反饋力和踏板行程關(guān)系。模型參數(shù)F0為12，λ為7.0，c為0.15。在某整車試驗(yàn)場(chǎng)地對(duì)新車型進(jìn)行油門踏板測(cè)試，踏板行程與踏板反饋力測(cè)試結(jié)果如圖8所示，踏板反饋力隨著踏板行程呈現(xiàn)先快速增加后緩慢增加的變化規(guī)律。采用式（3）擬合測(cè)試數(shù)據(jù)，得到F0為10.7，λ為5.32，c為0.17，與設(shè)計(jì)目標(biāo)接近。不同穩(wěn)定車速狀態(tài)下油門行程測(cè)試結(jié)果如圖9 所示，隨著穩(wěn)定車速的增加，油門行程按照式（1）變化規(guī)律增加，x0為5.4，A為0.55，趨勢(shì)線擬合程度R為0.92。

對(duì)踏板人機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，4～5 人通常能發(fā)現(xiàn)80%～85%的人機(jī)工效評(píng)估問題，當(dāng)群組人數(shù)為5～11 人時(shí)，最易得到相對(duì)正確的評(píng)估結(jié)果［12］。選擇8名駕齡超過3 年受試者，按照踏板操縱舒適性主觀感受“很好”“好”“一般”“較差”“差”進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終6人評(píng)價(jià)“很好”，2人評(píng)價(jià)“好”。

圖8 應(yīng)用案例踏板反饋力測(cè)試結(jié)果

圖9 穩(wěn)定車速對(duì)應(yīng)油門行程測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

文中建立乘用車油門踏板行程、踏板反饋力、車輛行駛速度實(shí)車同步測(cè)試系統(tǒng)，通過駕駛員操縱油門踏板主觀評(píng)價(jià)，確定10 輛暢銷且踏板操縱主觀舒適性較好的乘用車，開展踏板操縱特性實(shí)車測(cè)試，總結(jié)油門踏板設(shè)計(jì)規(guī)律：1）油門踏板操縱反饋力隨著踏板行程增加呈現(xiàn)先快速增加后緩慢近似線性增加的規(guī)律，可選擇對(duì)數(shù)函數(shù)擬合踏板行程與踏板反饋力關(guān)系；2）在設(shè)計(jì)油門踏板人機(jī)匹配過程中，關(guān)注穩(wěn)定車速狀態(tài)下油門踏板行程的映射關(guān)系，實(shí)車測(cè)試表明，隨著穩(wěn)定車速的增加，油門行程呈現(xiàn)指數(shù)增加，后期在開展駕駛室座椅-踏板布局設(shè)計(jì)過程中，需考慮常用穩(wěn)定車速狀態(tài)下駕駛員最佳舒適踏板操縱姿態(tài)。